[發(fā)明專(zhuān)利]電-熱綜合能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能流計(jì)算的快速分解方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110606050.4
• 申請(qǐng)日: 2021-06-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113221428B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 駱釗;耿家璐;賈蕓睿;董敏;劉可真;沈賦;王菁慧;代瑩皓
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/23
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/23;G06F111/10;G06F119/02
• 代理公司: 昆明潤(rùn)勤同創(chuàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 53205
• 代理人: 付石健

1.電-熱綜合能源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能流計(jì)算的快速分解方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟10)建立IEHS動(dòng)態(tài)模型；

步驟20)提出動(dòng)態(tài)能量流計(jì)算的快速分解方法；

步驟30)進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證步驟20)中所提出方法的性能；

所述IEHS動(dòng)態(tài)模型包括電力系統(tǒng)EPS和區(qū)域供熱系統(tǒng)DHS；

步驟101)電力系統(tǒng)EPS

在不同的操作時(shí)間尺度，EPS在幾毫秒內(nèi)迅速變?yōu)殪o態(tài)，DHS中的熱態(tài)仍處于動(dòng)態(tài)過(guò)程中，因此，在IEHS分析中，EPS被認(rèn)為是靜態(tài)的，并且采用交流電模型來(lái)描述電壓和有功功率/無(wú)功功率分布，表示為：

其中，P_i、Q_i分別為母線i的有功功率和無(wú)功功率，U_i為母線i的電壓幅值，U_j為母線j的電壓幅值，G_ij、B_ij分別為分支i、j的電導(dǎo)和電感，θ_ij為母線i電壓相位；

步驟102)區(qū)域供熱系統(tǒng)DHS

DHS通過(guò)相同結(jié)構(gòu)的供/回管網(wǎng)中的水流實(shí)現(xiàn)熱交換，因此，DHS模型涉及液壓和熱部件，DHS在質(zhì)量調(diào)節(jié)模式下的工作，其中DHS中的液壓狀態(tài)是固定的，由于控制難度較低，運(yùn)行穩(wěn)定性較好，質(zhì)量調(diào)節(jié)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中；

步驟1021)液壓模型

液壓模型描述了質(zhì)量流量和節(jié)點(diǎn)壓力的分布，基于基爾霍夫的電流和電壓定律；

首先，進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量流量等于在節(jié)點(diǎn)處流出和消耗的質(zhì)量流量之和，表示為：

Am＝q (3)

其中A是降階節(jié)點(diǎn)-分支關(guān)聯(lián)矩陣，如果管道j開(kāi)始/結(jié)束在節(jié)點(diǎn)i，則a_ij＝1/-1，否則a_ij＝0；

其次，閉環(huán)周?chē)膲航档扔诹悖硎緸椋?/p>

BΔp＝0，Δp＝Km|m| (4)

其中B是環(huán)路分支入射矩陣，如果管道j的方向與循環(huán)i一致/不一致，則b_ij＝1/-1，否則b_ij＝0；

步驟1022)動(dòng)態(tài)熱模型

沿管道的熱傳遞動(dòng)態(tài)過(guò)程被表述為忽略流體中靜態(tài)熱傳導(dǎo)的部分差分方程，表示為：

利用歐拉差分格式有限差分法求解式(5)，將要研究的時(shí)空域離散為不同差分點(diǎn)，表示為：

其中L是管道長(zhǎng)度，Γ是時(shí)間間隔；

在此基礎(chǔ)上，使用前差商將式(5)中的偏微分項(xiàng)改寫(xiě)為式(6)，其中O表示高階余數(shù)項(xiàng)：

在點(diǎn)(x_i，t_k)處區(qū)分式(5)，然后將式(7)代入式(5)，將偏差分方程轉(zhuǎn)化為線性函數(shù)：

式中λ₁、λ₂、λ₃是用于簡(jiǎn)化的常數(shù)系數(shù)；

式(9)表明，電流溫度不僅取決于電流狀態(tài)，而且還應(yīng)考慮以前的狀態(tài)，因此，式(9)的結(jié)果往往是用一系列初始條件和邊界條件計(jì)算的，此外，采用溫度混合方程計(jì)算節(jié)點(diǎn)溫度，其表示為：

其中是節(jié)點(diǎn)n的一組管道，V是DHS中的一組節(jié)點(diǎn)，是節(jié)點(diǎn)n的管道i的質(zhì)量流，是從節(jié)點(diǎn)n開(kāi)始的管道i的質(zhì)量流，是管道i末端的溫度，屬于

此外，DHS中的節(jié)點(diǎn)被建模為熱交換器，表示為：

φ＝C_ρq(T_s-T_r) (11)

最后，混合后的節(jié)點(diǎn)溫度等于某些管道開(kāi)始時(shí)的溫度，表示為：

其中是從節(jié)點(diǎn)n開(kāi)始的管道集合，是屬于的管道i開(kāi)始時(shí)的溫度；

步驟1023)耦合單元

根據(jù)耦合機(jī)理，EPS和DHS主要連接兩種設(shè)備：熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備、電鍋爐和熱泵能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，考慮到電鍋爐和熱泵兩種消耗電能產(chǎn)生熱能的發(fā)電方式，因此，EB和HP被視為DHS中的源和EPS中的負(fù)載，在此基礎(chǔ)上，給出了EB和HP的模型為：

φ^EB＝η^EBP^EB，φ^HP＝η^HPP^HP (13)

IEHS工作在熱負(fù)荷跟隨模式，在這種情況下，DHS是EPS的等效負(fù)載；

為了更清楚地分析IEHS中的EFC，根據(jù)其已知狀態(tài)對(duì)DHS中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)，這與EPS中的節(jié)點(diǎn)相似：DHS有兩種源類(lèi)型，溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)用于溫度調(diào)節(jié)，其功能與EPS中的PV總線相同；松弛節(jié)點(diǎn)用于火電調(diào)節(jié)，其功能與EPS中的松弛總線相同。

所述步驟20)中的動(dòng)態(tài)能量流計(jì)算的快速分解方法包括系統(tǒng)分解和修正模式；

步驟201)系統(tǒng)分解

將原始DHS分解為中間節(jié)點(diǎn)的幾個(gè)子系統(tǒng)，在子系統(tǒng)中，具有原始松弛節(jié)點(diǎn)的稱(chēng)為主系統(tǒng)，其他的稱(chēng)為從系統(tǒng)，在主系統(tǒng)中，分解的節(jié)點(diǎn)被看作是主系統(tǒng)的等效負(fù)載，它將能量流傳遞給它們連接的從系統(tǒng)，在從系統(tǒng)中，分解的節(jié)點(diǎn)被看作是從系統(tǒng)的等效源，從主系統(tǒng)中獲得能量流，為內(nèi)部負(fù)載提供熱功率；

步驟2011)徑向系統(tǒng)

在分解過(guò)程中，徑向DHS在原始DHS中的一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)處被分解，對(duì)于主DHS，分解節(jié)點(diǎn)為等效負(fù)載節(jié)點(diǎn)；對(duì)于從DHS，分解節(jié)點(diǎn)為等效松弛節(jié)點(diǎn)，總體能量流分布是主DHS和從DHS的結(jié)果的組合；

步驟2012)網(wǎng)狀系統(tǒng)

需要至少兩個(gè)中間節(jié)點(diǎn)來(lái)分解網(wǎng)格DHS，在主DHS中，負(fù)載節(jié)點(diǎn)是反映負(fù)載消耗的虛擬負(fù)載，在從DHS中，兩個(gè)虛擬源節(jié)點(diǎn)分別是松弛節(jié)點(diǎn)和溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，原始網(wǎng)格DHS中的能量流分布也是分解系統(tǒng)的結(jié)果的組合；

步驟202)修正模式

隨著系統(tǒng)規(guī)模的減小，在每個(gè)被分解系統(tǒng)中，被分解節(jié)點(diǎn)處的狀態(tài)變量應(yīng)保持一致，根據(jù)拓?fù)湫再|(zhì)，分別給出徑向DHS和網(wǎng)格DHS的修正模式，由于質(zhì)量調(diào)節(jié)模型下的質(zhì)量流量和節(jié)點(diǎn)壓力是固定的，因此只需要修改節(jié)點(diǎn)溫度和熱功率；

步驟2021)徑向DHS修正模式

徑向DHS中分解的DHS只通過(guò)一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)連接，以節(jié)點(diǎn)5表示該中間節(jié)點(diǎn)，它被看作是主系統(tǒng)中的負(fù)載節(jié)點(diǎn)和從系統(tǒng)中的松弛節(jié)點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)3表示加載節(jié)點(diǎn)，代表負(fù)荷，進(jìn)行功率消耗；

徑向DHS的分解過(guò)程如下：

A1)給出第j次迭代時(shí)從區(qū)域供熱系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)5在時(shí)間k處的假設(shè)供應(yīng)溫度

B1)在從區(qū)域供熱系統(tǒng)中執(zhí)行能流計(jì)算，在第j次迭代時(shí)獲得節(jié)點(diǎn)5在時(shí)間k的熱功率結(jié)果

C1)將從屬區(qū)域供熱系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)提供的熱功率視為第j次迭代時(shí)節(jié)點(diǎn)3消耗的熱功率

D1)在主區(qū)域供熱系統(tǒng)中執(zhí)行能流計(jì)算，獲得主區(qū)域供熱系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)3的供應(yīng)溫度結(jié)果

E1)給出下列公式：

在(j+1)次迭代中，根據(jù)式(14)修正從區(qū)域供熱系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)5在時(shí)間k的供電溫度，其中δ_T是溫度收斂極限，值等于10^-4；

F1)給出下列公式：

確定式(15)中的收斂條件是否滿足，如果是，則程序結(jié)束，否則返回步驟A1)；

步驟2022)網(wǎng)格DHS修正模式

網(wǎng)格DHS中的分解DHS通過(guò)至少兩個(gè)中間節(jié)點(diǎn)連接，其中一個(gè)被選擇為松弛節(jié)點(diǎn)并以節(jié)點(diǎn)2表示，另一個(gè)被選擇為溫度調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)并以節(jié)點(diǎn)3表示，選擇兩個(gè)負(fù)載節(jié)點(diǎn)并以節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)9表示；

網(wǎng)格DHS的分解過(guò)程如下：

A2)給出節(jié)點(diǎn)2的假設(shè)供應(yīng)溫度和節(jié)點(diǎn)3在第j次迭代的從區(qū)域供熱系統(tǒng)中時(shí)間k時(shí)提供的熱功率

B2)在從區(qū)域供熱系統(tǒng)中執(zhí)行能流計(jì)算，在第j次迭代的時(shí)間k，獲得節(jié)點(diǎn)2的提供熱功率和節(jié)點(diǎn)3的供應(yīng)溫度的結(jié)果

C2)將從屬區(qū)域供熱系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3提供的熱功率視為第j次迭代時(shí)主區(qū)域供熱系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)9的消耗熱功率

D2)在主區(qū)域供熱系統(tǒng)中執(zhí)行能流計(jì)算，獲取主區(qū)域供熱系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)9的電源溫度結(jié)果和

E2)給出下列公式：

根據(jù)式(16)在第(j+1)次迭代的時(shí)間k修正從區(qū)域供熱系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)2的供電溫度和節(jié)點(diǎn)3的提供熱功率，其中是節(jié)點(diǎn)9在主區(qū)域供熱系統(tǒng)中j+1時(shí)刻k的返回溫度；

F2)給出下列公式：

確定式(17)中的收斂條件是否滿足，如果是，則程序結(jié)束，否則返回步驟A2)。

所述步驟30)的進(jìn)行數(shù)值模擬，分別在徑向DHS和網(wǎng)格DHS中進(jìn)行了數(shù)值模擬；

由MatlabR2018b在一臺(tái)帶有Intel i7 4710CPU和4GB RAM的PC上編碼，并將所提出的FDM與傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)EFC方法進(jìn)行了比較，IEHS的結(jié)構(gòu)由Barry Island的DHS和IEEE-33總線EPS組成，DHS和EPS通過(guò)一個(gè)熱泵和兩個(gè)電鍋爐連接，首先將網(wǎng)格DHS分解為節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)25的兩個(gè)徑向DHS，節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)25靠近源節(jié)點(diǎn)且前后均連接分支節(jié)點(diǎn)，目的是驗(yàn)證網(wǎng)格DHS分解的有效性，在此基礎(chǔ)上，將分解后的DHS進(jìn)一步分解為較小的徑向DHS，旨在驗(yàn)證徑向DHS分解的有效性，最后，對(duì)IEHS進(jìn)行了動(dòng)態(tài)EFC，并與TM的結(jié)果進(jìn)行了比較，經(jīng)比較得出：

(1)所提出的FDM降低了計(jì)算規(guī)模，平均相對(duì)誤差僅為6.45^-4％，與TM的結(jié)果幾乎相同，表現(xiàn)出所提方法的準(zhǔn)確性；

(2)整個(gè)周期TM的平均計(jì)算時(shí)間為4.7108s，而FDM的平均計(jì)算時(shí)間為2.7681s，由于分解區(qū)域供熱系統(tǒng)的規(guī)模較小，每次迭代期間的計(jì)算負(fù)擔(dān)大大減少，計(jì)算時(shí)間減少40％以上；

(3)兩種方法計(jì)算出的電壓幅值和時(shí)間1.5h時(shí)的有功功率損耗在EPS中幾乎相同，誤差為6.16^-7％，由于兩種方法結(jié)果的差異由DHS中的能流分布決定，且DHS中的誤差相對(duì)較小，因此FDM對(duì)電流的影響較小。